光全息存储技术的研究进展

全息信息存储技术的研究进展

摘要随着社会的发展和技术的进步，人们对信息的需求不断增加，对信息数据存储

的要求也越来越高。全息光存储技术是一种极具发展潜力的信息存储技术，因其具有高信息冗余度、高存储容量和高存取速率等优点而日益收到关注。

关键词全息光存储；全息存储材料，复用技术，编码技术

全息存储材料

全息光存储的存储容量、传输速度、存储数据的稳定性和系统体积都受制于存储材料，因此，研制开发合适的存储材料是全息光存储中最为关键的问题之一。对全息光存储材料性能的要求是高的光学质量、折射率变化大、高灵敏度和稳定的存储性能。存储材料所具有的高的光学质量和低散射性可以保证携带数据信息的物光波前不失真，并可以使来自散射光的噪声变得容易处理。折射率变化大可以保证有足够的动态范围以复用多幅全息图，同时为了充分利用布喇格效应实现复用，以提高存储容量，也希望存储材料能够具有一定的厚度。高灵敏度可令存储材料在一定激光功率下反应速度更快。而稳定的存储性能则可以使存储数据在后续读出或者存储其它数据时避免被破坏。

到目前为止，人们常用的全息存储材料包括：银盐材料、光致抗蚀剂、光导热塑材料、重铬酸盐明胶（DCG）、光致聚合物。银盐材料是传统的全息记录材料。超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光谱灵敏范围，并已重复性好、保存期长，具有很强的通用性。它既可以用来记录振幅型全息图（曝光加显影过程），也可以记录得到高衍射效率的位相型全息图（曝光、显影，然后进行漂白处理）。目前，超微粒的银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，并具有可靠、稳定的商品化产品——全息干板。银盐材料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增加和图像质量的下降。

光致抗蚀剂是一种可以制备浮雕型位相全息图的高分子感光材料。这种材料也可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。选用合适的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。光致抗蚀剂有正性和负性两种类型。负性光致抗蚀剂在显影过程中，溶剂将腐蚀掉未曝光部分的材料。为了获得较好的

图像质量，需要对负性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。正性抗蚀剂的曝光和显影特性与负性抗蚀剂正相反，故使用正性抗蚀剂可以克服上述困难而获得高质量的全息图。采用光致抗蚀剂来记录全息图有着令人看好的应用潜力，因为在全息光存储中的只读存储方面，采用这种方法记录的全息图可以铸模制成标准母盘，实现大批量、低成本的复制生产。

光导热塑材料是另一种记录浮雕型位相全息图的记录材料，是在电照相基础上发展起来的一种全息记录材料。但由于其分辨率不够高，且高质量导电薄膜制造困难，因此应用有限。

重铬酸盐明胶（DCG）是在明胶中浸入Cr2O2-7离子构成的位相型全息记录材料。它的光学性能良好，典型膜厚为10～3μm，被光照的部分不会变黑，因此再现全息图也不吸收光，是一种理想的位相型全息记录材料。DCG可分为未硬化和硬化两种。未硬化的 DCG记录的全息图的衍射效率只有30％，没有充分体现DCG材料的优点。采用硬化DCG记录的折射率调制型全息图具有良好的光学性质，分辨率达到理论值的90％，且背景散射小于信号的10-4。DCG材料的缺点在于：再现性差，即感光层从曝光到显影影像出现失真；光谱敏感范围有限；感光度较差；对空气的湿气抵抗力差等。即便如此，由于其在光学性能上的优越性，核材料依然被广泛应用于全息存储、各种全息元件的制作等方面。

光致聚合物是近来在全息存储材料领域的一个研究的热点。光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。记录光照射聚合物后，光敏剂被激发，并引发曝光过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最后在材料中形成位相型全息图。光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。光致聚合物的本要缺点在于其体积容易受到影响而发生变化，这一直是阻碍光致聚合物材料在全息光存储中实现应用的主要问题。如果能够解决这一问题，光致聚合物将是一种非常理想的全息光存储材料。

光致变色材料也可以用于全息光存储，这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致膜层折射率的变化。尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，

膜层内部可产生显著的折射率变化。因此，这种条件下光数变色材料也可以看作是位相型全息光存储材料。光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系统的影响。但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率并不高，这也限制了核材料在全息光存储领域的应用。

光折变材料是另一种优良的全息光存储材料，目前在全息光存储领域得到了非常广泛的应用。光折变材料是通过光折变效应来存储全息图的，即当受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变化与入射光强成正比。光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以及生长工艺成熟等优点，且有机光折变聚合物也没有光致聚合物的体积变化问题，因此，从目前的研究情况看，光折变材料非常适合于全息光存储。光折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。常见的光折变无机材料主要有掺铁铅酸钾晶体（LiNO3：Fe）、铌酸锶钡（SBN）、和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA：DTNB：C60和PQ／PMMA等。

复用技术

存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。全息光存储中的复用技术主要包括空间复用、体积复用和混合复用三大类。

空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。

角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪